Zastosowanie georadarów do inwentaryzacji infrastruktury podziemnej

A. Cianciara, Inżynieria Bezwykopowa 09/2003.

 Streszczenie

W poniższym artykule przedstawiamy nowatorskie rozwiązanie służące do tworzenia precyzyjnych map instalacji podziemnych i klasyfikacji gruntu oparte o technikę georadarową.
Przedstawiony system stanowi nowoczesne rozwiązanie, pozwalające w sposób bezinwazyjny określić dokładne położenie różnorodnych obiektów znajdujących się w ziemi niezależnie od materiału, z jakiego zostały wykonane (beton, stal, PCV, inne). Przy jego pomocy można również dokonać klasyfikacji warstw podziemnych pod kątem prac wiertniczych czy wykopów.
Georadar GPR (Ground Penetrating Radar) jest niezastąpiony w technikach wierceń horyzontalnych, wykonywania map inwentaryzacyjnych oraz prac geologicznych.

Wstęp

Jak wygląda stan wielu map geodezyjnych, przekonali się zapewne ci którym przyszło wykonać przekop lub przewiert przez drogę. Choć stan dostępnych map wciąż się poprawia, nadal niestety zdarzają się przykre niespodzianki. O skutkach, jakie niesie uszkodzenie istniejących instalacji i kosztach z tym związanych nie trzeba wspominać. Dodatkowo stale wzrastające zagęszczenie istniejących instalacji pod drogami potęguje problemy. Sytuacja ta dotyczy szczególnie obszarów o gęstej zabudowie.
Jedną z nowoczesnych metod uniknięcia tego typu problemów jest zastosowanie nowoczesnych rozwiązań wykorzystujących georadary. W oparciu o nie można bezinwazyjnie, w bardzo krótkim czasie wykonać szczegółową mapę obszaru objętego pracami. Można też prowadzić pomiary w trakcie prac w terenie.
Metoda oparta o georadary obejmuje zarówno dokładną lokalizację każdej przeszkody znajdującej się w gruncie (światłowody, rury, kable, kanalizacje, itp.) jak i klasyfikację budowy warstw gruntu.

Georadar IDS RIS wyposażony w antenę zespoloną 8-mio kanałową.

Jak działa georadar

Zastosowanie fal elektromagnetycznych do lokalizowania obiektów pod powierzchnią ziemi zostało opracowane teoretycznie na początku XX wieku. Jednak dopiero obecny poziom techniczny pozwala na stosowanie ich do lokalizacji obiektów podziemnych.
System GPR jest realizacją wcześniejszych idei z zastosowaniem wysokich częstotliwości od kilkudziesięciu MHz do nawet 2 GHz.
Zastosowanie tak wysokich częstotliwości zmniejszyło zasięg penetracji do kilku metrów, ale pozwoliło podnieść rozdzielczość do kilkucentymetrowych obiektów.
Badanie systemem GPR polega na wysłaniu impulsu elektromagnetycznego a następnie pomiarze odbitej fali (rys. 1).

Rys. 1. Zasada wykonania pojedynczego pomiaru metodą GPR.

W celu uzyskania przekrojowego obrazu gruntu, tak wykonywany pomiar jest powtarzany wielokrotnie. W czasie jego trwania anteny georadaru przemieszczane są w jednym kierunku. W efekcie tak przeprowadzonych pomiarów otrzymujemy charakterystyczny obraz jak na rysunku 2. Wielkość rejestrowanej anomalii i jej położenie uzależnione są od wielkości i lokalizacji obiektu wewnątrz ziemi.

Rys. 2. Sposób tworzenia mapy przekrojowej.

Powyższa metoda pomiarowa, mimo, że stosowana jest do dzisiaj posiada kilka wad utrudniających jej zastosowanie we współpracy z wierceniami horyzontalnymi.
W praktyce stworzony w oparciu o nią obraz jest trudny do interpretacji, gdy złożoność budowy badanego ośrodka oraz zagęszczenie obiektów jest znaczne, a wynik przeprowadzanych badań zależy w bardzo dużym stopniu od doświadczenia osoby interpretującej.

Jakiej wielkości obiekty mogą być wykryte przez georadar

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na tak postawione pytanie. Minimalna wielkość obiektu zależy od wielu czynników: rodzaju gruntu, materiału z jakiego wykonany jest poszukiwany obiekt, częstotliwości pracy anten, itd.
Jakkolwiek można z pewnym przybliżeniem określić zależność minimalnej średnicy rury możliwej do wykrycia od długości fali. W poniższej tabeli podano minimalne rozmiary dla wybranych częstotliwości pracy radaru dla rur umieszczonych w ziemi (szybkość rochodzenia się fali = 1000 cm/nsek).

Innowacje wprowadzone przez IDS

W początku lat 90 firma IDS, jako zajmująca się radarami, została poproszona przez włoskiego narodowego operatora telefonii stacjonarnej o wybranie najlepszego urządzenia GPR do tworzenia map podziemnej infrastruktury z możliwością lokalizacji kabli, rur oraz innych instalacji podziemnych.
Po przeprowadzeniu serii testów okazało się, że żaden z istniejących systemów nie spełniał w pełni postawionych wymagań. Wtedy to rozpoczęto prace nad zbudowaniem nowego systemu spełniającego trzy podstawowe założenia zmieniające sposób pracy z georadarami:

• Po pierwsze nowy system miał osiągnąć jak najwyższą ocenę osiągniętych wyników pod katem minimalizacji błędów w detekcji (fałszywe detekcje i pominięcia obiektów). Źródłem tych błędów w istniejących systemach była zarówno ich budowa jak i sposób dalszego postępowania z pomiarami,
• Drugim celem było ograniczenie wpływu "czynnika ludzkiego" na jakość otrzymywanych wyników w nowo opracowywanym systemie,
• Trzecim celem było maksymalne zautomatyzowanie procesu oraz poprawa wydajności osób wykonujących badania.

Efektem tych prac było zbudowanie stosowanego urządzenia RIS 2K-MF jak i opracowanie oprogramowania do przetwarzania zebranych w trakcie pomiarów danych. Rozwiązanie zaoferowane przez IDS jest wyjątkowe i wyróżnia się od innych, dzięki:

• Zastosowaniu pomiaru przy pomocy zestawu wielu połączonych anten w miejsce pojedynczej,
• Rejestrowaniu wielokanałowemu - w tym samym czasie pomiary rejestrowane są na wielu kanałach,
• Elastyczności do szerokiego spektrum zastosowań,
• Pełnej konfigurowalności do indywidualnych wymagań klienta,
• Możliwości zastosowania wielu różnych anten (różniących się między innymi częstotliwościami pracy, polaryzacją),
• Szybkości wykonywania pomiarów dla zapewnienia wysokiej wydajności;
• Przetwarzaniu danych bezpośrednio w urządzeniu wyposażonym w wyświetlacz,
• Wydajnemu oprogramowaniu na komputery PC do przetwarzania zebranych wyników pomiarów,

Zespół wielu anten

Pierwszym, naprawdę innowacyjnym rozwiązaniem zaproponowanym przez IDS było zastosowanie zespołu połączonych anten ustawionych w rzędzie prostopadle do kierunku wykonywania pomiaru. Wykonują one pomiary w tym samym czasie przy wykorzystaniu fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach (MF).
Zestaw pomiarowy zbudowany z anten MF nadaje się szczególnie do tworzenia precyzyjnych map. Łączy on zalety poszczególnych zakresów częstotliwości: wysoką rozdzielczość oraz zwiększoną głębokość penetracji. Dodatkowo zespół anten pozwala na rejestrowanie danych równocześnie w 8 kanałach, obrazując warstwy podziemne o szerokości pasa pomiarowego sięgającego 2 metrów.
Dane z różnych kanałów są skorelowane geometrycznie dzięki zastosowanej budowie mechanicznej. Uzyskujemy w ten sposób znaczący wzrost dokładności lokalizacji. Pozwala to na zmniejszenie ilości wykonywanych pomiarów.

Rys. 3. Zalety stosowania zespołu złożonego z wielu połączonych anten.

System detekcji

Kolejnym elementem wprowadzonym przez IDS w systemie RIS 2K-MF było zastosowanie zautomatyzowanego systemu detekcji. Przy prowadzeniu wielokanałowej rejestracji, poszukiwany obiekt instalacji podziemnej, lokalizowany jest w tym samym miejscu przez wszystkie kanały pomiarowe. Możliwe jest zatem zastosowanie systemu detekcji, opartego na korelacji wystąpień anomalii, na wielu kanałach.

Rys. 4. Uproszczony schemat detekcji.

Tworzenie mapy

W trakcie prowadzenia prac ważne jest osiągnięcie efektu końcowego, jakim jest mapa badanego obszaru, mając na uwadze ekonomiczne aspekty całego projektu. Przyjmując ten punkt widzenia ważne jest, aby wraz z urządzeniem możliwe było zastosowania oprogramowania potrafiącego współpracować z systemami CAD. Również ten element został uwzględniony w opisywanym systemie. Przygotowane oprogramowanie pozwala w prosty sposób tworzyć kompletne mapy gotowe do użycia przez system AutoCAD oraz Microstation. Do stworzenia mapy nie jest wymagane specjalistyczne wykształcenie z zakresu geologii czy geofizyki.

Rys. 5. Końcowy efekt pomiarów wykonanych georadarem - przestrzenna mapa instalacji w systemie CAD.

Klasyfikacja gruntu

RIS 2K-MF pozwala też na prowadzenie klasyfikacji gruntu pod kątem podatności na wiercenia. System analizuje łącznie prawie 64 różne parametry propagacji sygnałów. Efektem końcowym jest mapa zawierająca obszary w trzech kategoriach podatności na wiercenia:

• klasa A - materiał łatwy do przewiercenia,
• klasa B - materiały przewiercane z pewnym stopniem trudności (glina, glina ze żwirem, żwir),
• klasa C - materiał który może być przewiercany tylko z użyciem specjalnych technik ( skały, żwir gruboziarnisty).

Testy praktyczne

Wiele testów wykonanych w praktyce pokazuje, że powyżej rozwiązanie pozwala wykrywać ponad 90% wszystkich obiektów podziemnych. Przykładowo w czasie testów zorganizowanych przez US Gas Technology Institute możliwe było wykonanie badania obszaru o powierzchni 1200 m2 w przeciągu mniej niż 3 godziny. Wynik otrzymanych pomiarów okazał się najbardziej dokładny ze wszystkich testowanych urządzeń.